JP2008518466A - 多数の光学要素を有する高輝度ｌｅｄパッケージ - Google Patents

Abstract

光源は放射面を有するＬＥＤダイと、放射面の個々の部分と光学的に接している入力面を有する複数の光学要素とを含む。光学要素は、反射側面とそれぞれの入力面より大きい出力面とを有するテーパまたは集光器を備え得る。光学要素はＬＥＤダイの放射面からの光および熱の両方を結合することができる。

Description

本発明は固体状態光源に関し、パッケージ化発光ダイオード（ＬＥＤ）の分野で特別な適用性を有する。

ＬＥＤは一部にはそれらの比較的小さいサイズ、低電力・電流要件、高速、長寿命、頑健パッケージング、多様な利用可能な出力波長、および最新の回路基板との互換性のため、光源の所望の選択肢である。これらの特性は多数の異なるエンドユース用途における過去数十年にわたる広範な使用を説明するのに役立ち得る。ＬＥＤに対する改良は効率、輝度、および出力波長の領域で継続して行われ、潜在的エンドユース用途の範囲をさらに拡大している。

ＬＥＤは通例金属製ヘッダ上にマウントされたＬＥＤダイまたはチップを含むパッケージ化形状で販売されている。ヘッダは内部にＬＥＤダイがマウントされた反射性カップと、ＬＥＤダイに接続された導線とを有する。パッケージはＬＥＤダイを封入する成型透明樹脂をさらに含む。封入樹脂は通例ＬＥＤダイから放射された光を部分的に平行にする公称半球状前面を有する。

本出願はＬＥＤダイを利用するパッケージ化固体状態光源を開示する。各々入力面を有する多数の光学要素が設けられ、光学要素は、入力面が互いに離間されるとともにＬＥＤダイの放射面の異なる部分と光学的に接するような大きさに形成且つ配置されている。

ある実施形態において、光学要素は各々それぞれの入力面より大きい出力面と、入力面と出力面とを接続する少なくとも１つの反射側面とを有することができる。ある実施形態において、光学要素を光学材料内の１つまたは複数の溝により画定することができる。ある実施形態において、光学要素はそれらの間の間隙を画定することができる。そのような場合、電気コンタクトまたは熱放散流体などの機能性部材を１つまたは複数のこのような間隙内に配置することができる。光学要素はＬＥＤダイに近い高屈折率、および／または高熱伝導率を有することができる。

本発明のこれらのおよび他の態様は以下の詳細な説明から明らかになろう。しかしいかなる場合も上記の概要を特許請求の範囲の主題を限定するものとして理解すべきではなく、主題は出願手続中に補正され得るように添付の特許請求の範囲によってのみ規定される。

明細書を通して、同様な参照番号が同様な要素を示す添付の図面を参照する。

上記の背景技術の段落に記載されている従来のＬＥＤパッケージの１つの欠点は、ＬＥＤダイ内で生じた光を外部環境、通例大気に伝送させる際の非効率性である。この非効率性の主な原因はＬＥＤダイの半導体層の高屈折率、および封入樹脂とＬＥＤダイの外側部（放射面を画定する）との間の屈折率の大きな不整合である。この不整合はＬＥＤダイ内の光の大部分の全反射（ＴＩＲ）を促進するため、このような光が捕らえられて場合によっては吸収される。

典型的なＬＥＤパッケージのもう１つの欠点は、ＬＥＤのダイオード接合内を流れることができる電流量を必要以上に制限するＬＥＤダイの熱管理不良に関する。これは転じてＬＥＤパッケージの達成可能な輝度および発光出力を制限する。ＬＥＤダイからの非最適熱除去を指す熱管理不良は、ＬＥＤダイを所与の電流で所望よりも熱く動作させることによりＬＥＤ寿命に悪影響を及ぼす恐れもある。上記の既知のＬＥＤパッケージにおいて、金属製ヘッダへのＬＥＤダイの接着は、ＬＥＤダイの背面からの適度な熱除去をもたらす。しかしＬＥＤダイの前面放射面は、低い熱伝導率を有するためＬＥＤダイからの熱の除去が最小限である封入樹脂に接している。

多くのエンドユース用途が、ＬＥＤダイ内で生じた光のより多くを外部環境に結合することにより、デバイスの発光出力を増強可能なＬＥＤパッケージ改良を提供することが望ましい。ＬＥＤダイ（所与の駆動電流において）の輝度を強化可能なＬＥＤパッケージ改良を提供することも望ましい。ＬＥＤダイの熱管理を強化してより冷たいＬＥＤダイ動作熱および／またはより高い達成可能ＬＥＤ駆動電流を供給するＬＥＤパッケージ改良を提供することも望ましい。

以下の本文において多数の光学要素を用いる高輝度ＬＥＤパッケージ、およびそれに関連する利点は、単一光学要素のみを用い得る関連の実施形態の説明の中に開示されている。これにより、読者は、権利請求の対象とする発明の設計の詳細および変形をより完全に理解するであろう。

図１においてＬＥＤパッケージ１０はヘッダまたは他のマウント１４上にマウントされたＬＥＤダイ１２を含む。ダイおよびマウントは簡略化のため一般的に示されているが、読者にはそれらが当該技術分野で既知であるような従来の設計特徴を含み得ることは理解されよう。例えばＬＥＤダイ１２は個別のｐおよびｎドープ半導体層と、基板層と、バッファ層と、上層とを含み得る。ＬＥＤダイの主放射面１２ａと、下面１２ｂと、側面１２ｃとが単純な矩形配列で示されているが、他の既知の構成、例えば逆角錐台形状を形成する傾斜側面も考えられる。ＬＥＤダイへの電気コンタクトも簡略化のため示されていないが、既知の通りダイの表面のいずれかの上に設けることができる。例示的実施形態においてダイは２つのコンタクトを有し、その両方とも「フリップチップ」ＬＥＤダイ設計の場合と同様にダイの下面１２ｂに配置されている。またマウント１４は支持基板、電気コンタクト、ヒートシンク、および／または反射カップとして機能することができる。

ＬＥＤパッケージ１０はダイ１２を封入または取り囲む透明な光学要素１６も含む。光学要素１６は、ＬＥＤダイ（より厳密には放射面１２ａに近いＬＥＤダイの外側部分）と通常大気である周囲媒体との中間の屈折率を有する。多くの実施形態において屈折率が可能な限り高いが、ＬＥＤダイの屈折率を実質的に超えない要素１６の材料を選択することが望ましいが、それはＬＥＤダイと要素１６との間の屈折率差が小さいほど、ダイ内に捕らえられて失われる光が少ないからである。図示のような光学要素１６は湾曲出力面を有し、湾曲出力面は光がＬＥＤパッケージから周囲媒体に確実に伝達されるのを助けるとともに、ＬＥＤダイにより放射された光を少なくとも部分的に焦点を合わせるかまたは平行にするために用いることもできる。以下にさらに説明する先細形状を始めとする他の形状を有する他の光学要素も光を平行にするために用いることができる。

ＬＥＤパッケージ１０には光学要素１６とダイとの間にパターン化低屈折率層１８がさらに設けられており、パターン化低屈折率層１８は放射面１２ａにおける局在アパーチャまたは領域２０内の輝度を強化するために、ＬＥＤダイ内にある程度の光の閉じ込めを選択的に保存する効果を有する。パターン化低屈折率層１８は側面１２ｃとアパーチャ２０以外の放射面１２ａの部分とに実質的に光学的に接触している一方で、光学要素１６はアパーチャ２０の領域にわたり放射面１２ａの部分と光学的に接触している。（この点について「光学的に接触」とは、表面または媒体が互いに十分に近接して離間していることを指し、直接物理的接触していることを含むがこれに限定されず、低屈折率層または透明要素の屈折率特性が例えばＬＥＤダイ内を伝播する少なくとも一部の光の全反射を制御または実質的に影響を与える。）パターン化低屈折率層１８はＬＥＤダイの屈折率および透明要素１６の屈折率より実質的に低い屈折率を有する。また層１８は光の捕捉を促進することを意図した場所で光学的に厚い。光学的に厚いとは、その厚さが全反射不足をなくすために十分に大きいこと、または層の一方側の媒体（光学要素１６など）の屈折率特性が層の他方側の媒体（ＬＥＤ１２など）内で伝播する少なくとも一部の光の全反射を制御または実質的に影響を及ぼさないことを意味する。好適にはパターン化低屈折率層の厚さは、真空内で対象の光のエネルギーに対して波長の約１０分の１、より好適には２分の１、より好適には約１より大きい。また層１８の「パターン化」とは、層１８がＬＥＤ放射面上に連続しているが、アパーチャ２０内で非常に薄く（そのため全反射を維持するのに効果がない）且つ他では厚く作製されている実施形態を包含することを意味する。層１８が透明誘電材料であるか、またはＬＥＤダイの表面においてそのような材料の層を少なくとも備えることが有利である。これらの材料は単に金属層をＬＥＤに貼ることにより作製された反射コーティングを超える利点を有するが、例えばそれは誘電材料がＬＥＤダイ内の光の大部分に対して１００％反射（ＴＩＲによる）を提供することができる一方で、単純な金属コーティングは特に高入射角では実質的に１００％未満の反射率を有するためである。

パターン化低屈折率層１８は、ＬＥＤの他の部分（例えばアパーチャ２０を超えた放射面１２ａの一部分）の輝度の低下を犠牲にしてＬＥＤの一部分（例えばアパーチャ２０内）の輝度を強化する。この効果はＬＥＤダイが動作中、ＬＥＤダイ内の放射光の多数の跳ね返り反射を支えるのに十分に低い損失を有することに依存している。ＬＥＤダイ作製および設計で進歩があると、表面からの損失または体積吸収が低減することが期待でき、内部量子効率が増加することが期待でき、さらに本明細書に記載した輝度強化効果が安定的に増大する利点を提供することが期待できる。基板およびエピタキシャル成長プロセスを改良することによりバルク吸収を低減することができる。エピタキシャル層を高反射率金属鏡に接着することによるか、またはＬＥＤ構造内に全方向性鏡を組み込むことによるなど、改良背面反射体により表面吸収を低減することができる。このような設計は、上面を介する光出力を増加するようなＬＥＤダイの背面の成形と組み合わせた場合、より効果的であり得る。例示的実施形態において下面１２ｂの大部分は金属または誘電体スタックなどの高反射材料である。好適には反射体はＬＥＤ発光波長において９０％より大きい反射率、より好適には９５％、最も好適には９９％反射率を有する。

再度図１を参照すると、任意の発光点源２２は例えば光線２４を放射する。ＬＥＤダイ１２および透明要素１６の屈折率は、ＬＥＤ／光学要素界面において放射面１２ａと最初に出会う光線が、要素１６内に伝達されるとともに屈折され得るものである。しかしパターン化層１８はその場所における界面を変化させて光線２４に対して全反射している。光線はＬＥＤダイの厚さを通って進行し、背面１２ｂで反射し、さらに再度放射面１２ａと出会い、今度は図１内に示すように層１８がないため透明要素１６内に逃げる。アパーチャ２０における放射面１２ａの一部分はこのように、低屈折率層１８により被覆された放射面１２ａの一部分を犠牲にして、より明るく（単位面積あたりおよび単位立体角あたりより多くの光束）作製されている。

図１の実施形態において低屈折率層１８に当たるＬＥＤ内の一部の光は、放射面１２ａ法線ベクトルに対するその入射角が十分に小さいため光が低屈折率層１８を簡単に通過する場合には、要素１６内に逃げることができる。このようにＬＥＤダイの低屈折率被覆部分に当たる光は、ゼロではないが非被覆部分より小さい範囲の逃げ角を有することになる。代替実施形態において低屈折率層１８を、反射性金属または干渉反射体などの良好な垂直入射反射体でオーバーコートすることにより、低屈折率層１８により提供されるＴＩＲの利点を失うことなく、ＬＥＤダイ内の光の再循環を増すとともにアパーチャ２０における輝度をさらに強化することができる。場合によっては干渉反射体を外側ダイ表面と低屈折率層１８との間に配置することができる。

適当な低屈折率層１８にはフッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、シリカ、ゾルゲル類、フッ化炭素類、シリコーン類のコーティングがある。エーロゲル材料も、約１．２以下、または約１．１以下という非常に低い有効屈折率を達成することができるため適当である。エーロゲルは溶剤で充填されたコロイド状シリカ構造単位で構成されるゲルの高温および高圧臨界点乾燥より作製される。得られた材料は低密度、微小孔性媒体である。低屈折率層１８の例示的厚さは、材料の屈折率に応じて約５０〜１００，０００ｎｍであり、好適には約２００〜２０００ｎｍである。層１８の屈折率は、成型樹脂または他の封入材料であり得る光学要素１６の屈折率より低いとともに、ＬＥＤダイまたは放射面に近くのダイのその部分の屈折率より低い。好適には層１８の屈折率は約１．５未満であり、より好適には１．４未満である。低屈折率層１８は誘電材料の固体層、もしくはＬＥＤダイと透明要素１６との間の真空または気体充填間隙であり得る。

ＬＥＤダイの外面は光学的に平滑であり、すなわち約２０ｎｍ未満の表面仕上げＲ_Aを有する。また外側ＬＥＤ表面のいくつか、すべてまたは部分は光学的に粗くてもよく、すなわち約２０ｎｍを超える表面仕上げＲ_Aを有する。縁部または上面の一部分はＬＥＤダイの基部に対して非直交角度にある。これらの角度は直交から０〜４５度に及び得る。またＬＥＤダイの主面または副面は平坦である必要はない。例えばＬＥＤダイの放射面の隆起部分は、光学要素のほぼ平坦な下面と接触して、図１〜３の少なくともアパーチャ２０、２０ａおよび３４を画定することができる。

低屈折率層１８の実質的な欠如により画定されるアパーチャ２０の形状は円形、長方形、正方形、もしくは多角形または非多角形にしろ、規則的または不規則的にしろ、より複雑な形状であり得る。以下により詳細に説明するように多数のアパーチャも考えられる。アパーチャ形状は通例意図する用途に応じて選択されることになるとともに、全体のシステム性能を最適化するように調整することができる。アパーチャの表面を連続または不連続パターンもしくは低屈折率被覆領域の網目でパターン化するか、または低屈折率層に厚さまたは屈折率の勾配もしくはその両方を設けて、アパーチャの表面にわたる光出力の分布を変更することも考えられる。アパーチャは側面１２ｃの少なくとも一部分が低屈折率層で被覆されている場合、上放射面１２ａ全体を覆うこともできる。

図２を参照するとそこにはＬＥＤパッケージ１０と同様なＬＥＤパッケージ１０ａが示されているが、低屈折率層１８は中心アパーチャ内の低屈折率被覆領域の網目を含むことにより変更されている。変更低屈折率層にはそのため１８ａが付されているとともに、変更中心アパーチャには２０ａが付されている。他の要素は図１内で用いられた参照番号を保持している。図示のように低屈折率領域の網目をアパーチャの縁部付近で比較的密度の高いパターンに配列して、その領域で透過率が比較的低くなるようにすることができる。アパーチャにより透過率を調整する能力は、特別な空間均一性または出力分布がシステム設計に必要とされる高輝度ＬＥＤで有用である。アパーチャ内の低屈折率媒体のこのような配列は、図３、４および６〜８の実施形態を含むがこれに限定することなく他の開示の実施形態に同様に適用可能である。

アパーチャを、アパーチャを画定する低屈折率材料に対して異なる厚さまたは異なる屈折率もしくはその両方を有する低屈折率材料（便宜的に「周囲低屈折率材料」と称する）で被覆することができる。このような設計自由度を用いてパッケージ化ＬＥＤにより放射された光の角度分布を変更することができる。例えばアパーチャ２０または２０ａを、光学要素１６と周囲低屈折率材料との間の屈折率を有する材料で被覆することは、アパーチャにより放射された光の角度範囲を制限することになる。これは通常高い角度で放射され得る光をＬＥＤダイ内で再循環させるとともに、関連する光学系によってより効率的に用いることができる角度範囲の光の出力を増加させることになる。例えば電子投射系内で用いられる集光部品は、一般に用いられるＦ／２〜Ｆ／２．５受光設計角度外の光を効率的に用いていない。

ここで図３を参照するとＬＥＤパッケージ３０は、ＬＥＤダイ１２と部分的に光学的に接触しているとともにＬＥＤから部分的に離間してそれらの間に実質的な空隙３４を画定する透明光学要素３２を含む。透明要素３２は入力面３２ａと出力面３２ｂとを有し、入力面３２ａは、出力面３２ｂより小さく、ＬＥＤダイの放射面１２ａより小さく、さらに放射面の一部分と光学的に接触してアパーチャ３４を画定する。この点について入力面はより小さい表面積を有するため出力面「より小さい」とともに、出力面は従ってより大きい表面積を有するため入力面より大きい。光学要素３２と放射面１２ａとの間の形状差は、接触領域（アパーチャ３４）の周囲にパターン化低屈折率層を形成する空隙３６を生成する。ＬＥＤダイにより生成された光をそのためアパーチャ３４において透明要素３２によって高輝度で効率的に抽出することができる。光学要素３２および本明細書に記載された他の光学要素を、任意の適当な手段によって接触点でＬＥＤダイに接着することができるか、またはＬＥＤダイ放射面に接着せずに正しい位置に保持することができる。ＬＥＤパッケージ内の非接着光学要素に関するさらなる説明は、「非接着光学要素を備えたＬＥＤパッケージ（ＬＥＤ Ｐａｃｋａｇｅ Ｗｉｔｈ Ｎｏｎ−Ｂｏｎｄｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）」と題された米国特許出願第１０／９７７，２４９号明細書（代理人整理番号第６０２１６ＵＳ００２号）に見出せる。上記のようにアパーチャ３４にわたって光学要素３２内にＬＥＤ放射面１２ａにより放射される光の角度範囲は、屈折率がＬＥＤダイ１２と透明要素３２との間である材料層を介入させることにより低減することができる。

収集光の範囲を低減するか、または収集光を平行にする（少なくとも部分的に）他の手法は、図４に示すように１つまたは複数の先細側壁を有する透明要素を用いることである。そこではＬＥＤパッケージ４０はＬＥＤパッケージ３０と同様であるが、光学要素４２が光学要素３２の代わりに用いられている。要素４２は入力面４２ａと出力面４２ｂとを有し、入力面４２ａは、出力面４２ｂより小さく、ＬＥＤダイの放射面１２ａより小さく、さらに放射面の一部分と光学的に接触してアパーチャ４４を画定する。光学要素４２と放射面１２ａとの間の形状差は、接触領域（アパーチャ４４）の周囲にパターン化低屈折率層を形成する空隙４６を生成する。さらにまた光学要素４２は先細側面４２ｃ、４２ｄを含み、先細側面４２ｃ、４２ｄはＬＥＤダイから入力面４２ａに入射する高傾斜光の一部を平行にするために反射性である。側面４２ｃ、４２ｄの反射性は、ＴＩＲを支える低屈折率媒体により、または金属層または干渉反射体もしくはそれらの組み合わせなどの反射性材料の適用により提供することができる。

光学要素４２は流体、熱結合された無機ガラス、プラスチック無機ガラスを介して、または表面に光学的に平滑仕上げ（約５０ｎｍ未満、好適には約２０ｎｍ未満の表面仕上げＲ_A）を設けた後、表面を互いに近接保持することにより、ＬＥＤダイの放射面と光学的に接触することができる。さらにまた光学要素４２は構造の点で複合物でもよく、表面４２ａ、４２ｃ、４２ｄを備える下部先細部分は表面４２ｂを備える上部レンズ形状部分とは別に形成され、２つの部分は従来の手段により接着または一体に接合される。２つの部分をより明瞭に示すために破線が設けられている。複合光学要素、設計上の考慮、および関連する利点のさらなる説明を以下に提供する。

あるモデルを用いて、パターン化低屈折率層と出力アパーチャに結合された先細光学要素とを利用したパッケージ化ＬＥＤの輝度の潜在的増加を判定した。ＬＥＤを発光領域と、吸収領域と、傾斜縁部ファセットとを有する炭化シリコンの材料特性（率１．５５）を有する材料特性でモデル化して、典型的ＬＥＤの光学挙動を表わした。逆角錐台形状先細光学要素をＬＥＤの前面ファセットまたは放射面に光学的に結合した。光学要素の材料特性は炭化シリコンのものであった。ＬＥＤは光学要素の入力および出力面と同様に前面から見て正方形形状を有していた。モデルはさらに光学要素の出力面を、ＢＫ７ガラスの材料特性を有する半球レンズに結合した。ここでレンズの直径は正方形のＬＥＤ放射面の幅の１０倍であり、レンズの曲率半径はＬＥＤ放射面の幅の５倍であった。光学要素の高さが光学要素の出力面の幅の２．２倍というアスペクト比を維持するとともに、出力面の幅を入力面の幅の２倍に維持しつつ、光学要素の入力面の大きさをＬＥＤ放射領域の１００％から４％まで徐々に変化させた。光学要素の大きさがＬＥＤ放射面の大きさ未満になると、屈折率１の媒体が光学要素入力面の外側のＬＥＤ放射面の部分を被覆して、光学要素入力面に対して相補的にＬＥＤ放射面を被覆する低屈折率パターン化層を形成すると考えられた。光学要素により放射された部分パワー（ＬＥＤパッケージの相対的発光出力を表わす）および光学要素の出力面により放射された相対的照度（ルーメン／（ｃｍ²ｓｒ））（ＬＥＤパッケージの相対的輝度を表わす）を算出した。図５は観察された傾向を一般的に表わしている。曲線５０は放射された相対的部分パワーであり、曲線５２は相対的照度である。この結果はアパーチャサイズが低減するにつれて、パッケージから得られる全発光出力は少なくなるが、輝度（より小さいアパーチャ内の）は飛躍的に増加することができる、ということを立証している。

開示した実施形態のパターン化低屈折率層は、間隙またはＬＥＤダイに適用された低屈折率材料のコーティングを備え得る。ＬＥＤダイを液体から、低屈折率材料でまたは干渉反射体を形成する個々の層でコーティングする適当な方法には、スピンコーティング、スプレーコーティング、ディップコーティング、およびダイ上へのコーティングの分散がある。液体コーティングは後で硬化されるモノマー、溶剤、およびポリマー、無機ガラス形成材料、ゾルゲル、およびエーロゲルで構成することができる。低屈折率材料を気体状態からコーティングする適当な方法には、化学蒸着またはダイ上での蒸気の凝縮がある。またダイをスパッタリング、蒸着、または他の従来の物理的蒸着方法によって低屈折率材料でコーティングすることができる。

ウエハレベル（ダイシング前）で、またはウエハがダイシングされた後であるがマウンティングの前、ダイをヘッダまたは他の支持体にマウントした後、およびダイへの電気接続を行った後、にコーティングを多数のＬＥＤに適用することができる。アパーチャを低屈折率コーティングが適用される前または後に形成することができる。ポストコーティングパターニング方法の選択は、選択された特定の低屈折率材料およびその半導体処理との適合性に依存し得る。例えばウエハをフォトレジストで被覆するとともにパターニングして開口を作製することができ、アパーチャが望ましい場合、適当な低屈折率コーティングが蒸着された後、適当な溶剤を用いてリフトオフが行われる。代替的には低屈折率材料をまずウエハまたはダイ全体にわたって蒸着することができ、パターン化フォトレジスト層をエッチングマスクとして適用でき、さらに反応性イオンエッチングなどの適当な技術を用いて低屈折率材料を除去することができる。場合によっては適当な溶剤を用いてフォトレジスト層を剥離することができる。低屈折率材料をパターニングする他の技術にはレーザアブレーションおよびシャドーマスクがあり、典型的なフォトリソグラフィーストリップまたは現像溶剤に可溶である材料に特に有用であり得る。下部接着領域から不要なコーティングを持ち上げる適当な方法は、まず接着材料を塗布してその後接着材料を除去することを含み、ここで接着材料はコーティングをアパーチャ領域から除去することが可能であるが周囲コーティングを残存させることができる。また低屈折率コーティングをパターニングして、ダイへの電気接続を行うことができる領域を形成することができる。例えば米国特許公報第２００３／０１１１６６７Ａ１号明細書（シューベルト（Ｓｃｈｕｂｅｒｔ））を参照されたい。

金属反射層を従来のプロセスにより適用して、必要に応じてアパーチャと適正な電気絶縁性とを提供するようにパターニングすることができる。

図６を参照すると先細光学要素６２を利用してＬＥＤダイ１２からの光を結合するＬＥＤパッケージ６０が見える。図４の光学要素４２に関して説明したように、光学要素６２も複合構造を有し、すなわち一体に接合された少なくとも２つの部分６４、６６を備える。これらの部分は図示のように入力面６４ａ、６６ａと、出力面６４ｂ、６６ｂと、反射側面６４ｃ、６４ｄ、６６ｃ、６６ｄとを有する。要素６２の先細側面は近接配置されたＬＥＤ放射面１２ａからの光を非結像的に方向変更または平行にする（少なくとも部分的に）。先細要素６２および本明細書に開示した他の先細要素では側面は平坦である必要はない。これらは意図する用途および設計上の制約に応じて円錐状、湾曲状（放物状を含む）または任意の適当な組み合わせであり得る。開示の先細要素はＣＰＣ（「複合」放物面集光器）として当該技術分野で既知の要素の形状を有し得る。

多くの状況において、光学先細要素を高屈折率材料で形成して、入力面６４ａにより画定されるアパーチャにわたってＬＥＤ放射面１２ａにおける反射を低減し、光がＬＥＤダイ１２からより効率的に結合されるか、または抽出されることが望ましい。また多くの状況において高い熱伝導率および高い熱安定性を有する材料を用いて光学要素を作製することが望ましい。このようにして光学要素は光学的機能のみならず熱管理機能も行うことができる。「前面熱抽出器を有するＬＥＤパッケージ（ＬＥＤ Ｐａｃｋａｇｅ Ｗｉｔｈ Ｆｒｏｎｔ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｈｅａｔ Ｅｘｔｒａｃｔｏｒ）」と題された米国特許出願第１０／９７７２４１号明細書（代理人整理番号第６０２９６ＵＳ００２号）により詳細に記載されているように、ヒートシンクへの光学要素などの熱結合によりさらなる熱管理利点を得ることができる。

残念なことにＬＥＤ発光波長において十分に高い、例えば約１．８、２．０または２．５より大きい屈折率を有する、および／または約０．２Ｗ／ｃｍ／Ｋより大きい熱伝導率を有する透明材料は、高価であるおよび／または作製が困難である傾向がある。高い屈折率および高い熱伝導率の両方を有する比較的少ない材料のうちのいくつかにはダイヤモンド、炭化シリコン（ＳｉＣ）、およびサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）がある。これらの無機材料は高価で物理的に非常に硬く、形状を作製して光学グレード仕上げまで研磨することが困難である。炭化シリコンは特に、光の散乱を生じ得るマイクロパイプと呼ばれるタイプの欠陥を示す。また炭化シリコンは導電性であり、そのため電気コンタクトまたは回路機能を提供し得る。光学先細要素内の散乱は、散乱が要素の入力端付近の位置に限定されている場合には容認可能である。しかしＬＥＤダイからの光を効率的に結合するのに十分な長さを有する先細要素を作製することは高価であるとともに時間がかかる。１片の先細要素を作製する際のさらなる課題は、材料歩留まりが比較的低い場合があるとともに形状要因のためＬＥＤダイが先細要素と個々に組み付けられ得ることである。これらの理由のため、先細要素を異なる光学材料で作製された少なくとも２つの部分に区分して、製造コストを削減することは有利であり得る。

第１の部分はＬＥＤダイと光学的接触を行うとともに、高屈折率（放射面におけるＬＥＤダイ屈折率にほぼ等しいことが好ましい）、高い熱伝導率、および／または高い熱安定性を有する第１の光学材料で作製されていることが望ましい。この点に関して高い熱安定性とは約６００℃以上の分解温度を有する材料を指す。

第２の部分は第１の部分に接合されるとともに、第１の光学材料より低い材料コストを有し得るとともにより容易に作製し得る第２の光学材料で作製されている。第２の光学材料は第１の光学材料に比べてより低い屈折率、より低い熱伝導率、またはその両方を有し得る。例えば第２の光学材料はガラス、ポリマー、セラミクス、セラミックナノ粒子充填ポリマー、および他の光学的にクリアな材料を備え得る。適当なガラスには鉛、ジルコニウム、チタニウム、およびバリウムの酸化物を備えるものがある。ガラスはチタン酸塩、ジルコン酸塩、およびスズ酸塩を始めとする化合物から作製することができる。適当なセラミックナノ粒子にはジルコニア、チタニア、酸化亜鉛、および硫化亜鉛がある。

第３の光学材料で構成された第３の部分を第２の部分に接合して、ＬＥＤ光を外部環境に結合する際にさらに補助することができる。一実施形態においてこれらの部分の屈折率を、ｎ₁＞ｎ₂＞ｎ₃になるように構成することにより、先細要素と関連する全体のフレネル表面反射を最小限に抑えることができる。

図４に示した光学要素４２の上部などの大型レンズ要素を、開示の単純または複合先細要素の出力端に有利に配置または形成することができる。反射防止コーティングをそのようなレンズ要素表面上および／もしくは先細または他のコリメーティング要素を始めとする開示の光学要素の入出力表面上に設けることもできる。

例示的構成においてＬＥＤダイ１２は、ＳｉＣの０．４ｍｍ厚さのスラブ上に１ｍｍ×１ｍｍのＧａＮ接合を備えることができる。先細要素６２の第１の部分６４をＳｉＣで構成することができる。第２の部分６６をＬＡＳＦ３５、ｎ＝２．０を有する非吸収非散乱高屈折率ガラスで構成することができる。第１および第２の部分間の接合の幅寸法と、第２の部分の出力規模とを要望どおりに選択して、屈折率１．０の周囲環境内への全光出力を最適化することができる。０．４ｍｍ厚さのＳｉＣスラブの縁部を１２度の負の傾斜で先細にすることにより、ＬＥＤダイの側面における光反射のＴＩＲモードを完全に妨げることができる。ＬＥＤ接合およびＳｉＣスラブ内の吸収および散乱は標準的封入されたＬＥＤと比べて一体モード構造を変化させるため、この傾斜を要望どおり調整することができる。例えば光学モードを吸収接合から離れるように向けるために正の傾斜を用いることが望ましい場合がある（ＬＥＤ接合の幅はＳｉＣスラブの幅より小さい）。ＳｉＣスラブはこのように先細要素の一部として考え得る。

上述したように第１の部分６４を熱ヒートシンクに結合することができる。従来の接着技術を用いて第２の部分６６を第１の部分６４に接着することができる。接着材料を用いる場合には、接着材料はフレネル反射を低減するために接合された２つの光学材料間の屈折率を有することができる。他の有用な接着技術には、半導体ウエハ接着技術で既知のウエハ接着技術がある。有用な半導体ウエハ接着技術には、Ｑ．−Ｙ．トン（Ｔｏｎｇ）およびゲーゼル（Ｇｅｕｓｅｌｅ）著、テキスト「半導体ウエハ接着（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｗａｆｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）」の第４章および第１０章（ジョン・ワイリー＆サンズ、ニューヨーク（Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ，Ｎｅｗ，Ｙｏｒｋ）、１９９９年）に記載されたものがある。米国特許第５，９１５，１９３号明細書（トン（Ｔｏｎｇ）ら）および米国特許第６，５６３，１３３号明細書（トン（Ｔｏｎｇ））に記載されたウエハ接着方法も用い得る。

図７に示されたＬＥＤパッケージ７０は複合先細要素７２を用いており、先細反射側壁によってより大きい出力面７４ｂに接続された入力面７４ａを有する第１の部分７４が、入力面７６ａ（出力面７４ｂと同一）とさらに大きい出力面７６ｂとを有する第２の部分７６内に封入されている。出力面７６ａは複合要素７２にさらに平行または集束に有用な光学的パワーを提供するように湾曲している。部分７４の先細側面が、そのような表面でＴＩＲを促進するために低屈折率材料のコーティング７８を有して示されている。材料は第１の部分７４、第２の部分７６、およびＬＥＤダイ１２より低い屈折率を有することが好ましい。このようなコーティング７８を部分７４に接していない放射面１２ａの部分、および／またはＬＥＤダイ１２の側面１２ｃ（図１参照）に適用することもできる。ＬＥＤパッケージ７０を構成する際、第１の部分７４を、放射面１２ａの所望のアパーチャ域に接着する（または単に上に配置する）ことができるとともに、前駆体液体封入材料をＬＥＤダイおよび第１の部分を封入するために十分な量計量して、その後前駆体を硬化させて完成した第２の部分７６を形成することができる。この目的のための適当な材料には、シリコーンまたはエポキシ材料などの従来の封入製剤がある。パッケージはコーティング７８を介して第１の部分７６の側面に結合されたヒートシンクも含み得る。このようなヒートシンクがなくても、先細要素の第１の部分の高い熱伝導率を用いることで大きな熱質量をＬＥＤダイに追加し、少なくとも変調駆動電流を用いたパルス化動作にある利点を提供することができる。

本明細書に開示する単純先細要素および複合先細要素の両方とも、先細構成部品を個々に作製し、第１の部分をＬＥＤダイに接着し、その後連続部分を追加することによるなどの従来の手段により製造することができる。代替的には「光学および半導体要素の製造方法（Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｆｏｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｎｄ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ）」と題された米国特許出願第１０／９７７２３９号明細書（代理人整理番号第６０２０３ＵＳ００２号）、および「発光アレイの製造方法（Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｆｏｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ａ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ａｒｒａｙ）」と題された米国特許出願第１０／９７７２４０号明細書（代理人整理番号第６０２０４ＵＳ００２号）に開示された精密研磨技術を用いて、単純および複合先細要素を製造することができる。簡単に言えば所望の光学材料の１つまたは複数の層を含む加工物を準備する。加工物はウエハまたはファイバ切片などの大きな形態であり得る。その後厳密にパターン化された研削材を加工物と接触させて、加工物内にチャネルを研削する。研削が完了すると、チャネルは単純なまたは複合先細要素の形状であり得る多数の突起を画定する。先細要素を加工物から個々に取り外すとともに別々のＬＥＤダイに１つずつ接着することができるか、または一連の先細要素を一連のＬＥＤダイに好都合に接着することができる。

入力面がＬＥＤダイの放射面より小さい光結合要素を用いる場合、多数のそのような要素を同じ放射面の異なる部分へ結合することを検討することが可能になる。

単に単一先細要素を複数のより小さいものと取り替えることにより、そのような手法を用いてＬＥＤダイからの所与の光量を結合するのに必要な光学材料量を低減することができるため有利である。ダイヤモンド、ＳｉＣ、およびサファイアなどの高価で且つ加工しにくい材料を扱う場合、材料消費の差は特に重要であり得る。例えば単一光学先細要素を２×２アレイのより小さい光学先細要素と取り替えることは、高屈折率（第１の）光学材料に必要な厚さを２倍を超えて低減することができるとともに、３×３アレイは必要な厚さを３倍を超えて低減することができる。意外なことに光が光学要素の入力面間の位置のＬＥＤから効率的に放射されなくても、モデル化はこの手法がまだ非常に高い正味抽出効率を有するということを示す。

先細要素などの多数の光結合要素を用いるもう１つの利点は、要素間に様々な目的のために用いることができる間隙または空間が形成されることである。例えば間隙または空間を高屈折率流体、金属熱伝導体、導電体、熱輸送流体、およびそれらの組み合わせで充填することができる。

ＬＥＤダイがＳｉＣと、１．５２屈折率媒体内に浸漬された場合ＬＥＤダイ内で生成された光の３０％がＬＥＤから放射されるように調整された吸収層とにより構成されたＬＥＤパッケージに対してモデル化を行った。これは典型的ＬＥＤデバイスの代表例である。モデルは図８のＬＥＤパッケージ８０に示したようにＬＥＤ放射面に結合された３×３アレイの光学先細要素を用いた。そこに示されたＬＥＤダイ１２’は傾斜側面１２ｃ’と前面放射面１２ａ’とを有し、光学先細要素８２、８４、８６のうちの３つが、それぞれそれらの入力面８２ａ、８４ａ、８６ａにおいて結合されて示されている。より小さい光学要素間に形成された空間または間隙８３、８５に留意されたい。出力面８２ｂ、８４ｂ、８６ｂは、出力面８８ｂを有するより大きい光学先細要素８８の入力面８８ａに結合している。またモデルは先細要素８８に対して大型である半球状レンズ（図示せず）を用いたが、その平坦面は出力面８８ｂに取り付けられ、レンズはＢＫ７ガラス（ｎ＝１．５２）で作製された。先細要素８８はＬＡＳ３５（ｎ＝約２）で構成されるようにモデル化された。そしてモデルはより小さい先細要素に対する異なる光学材料、および間隙８３、８５を含むＬＥＤダイを取り囲む外部空間に対する異なる材料を評価した。

モデル化ＬＥＤパッケージの算出出力電力（例えばワット単位）は、小さい先細要素光学材料（表内に「Ａ」と表わされる）および外部材料（表内に「Ｂ」と表わされる）に応じて以下の通りになる。

これらの値を、３×３アレイのより小さい要素の代わりに単一ＳｉＣ先細要素を用いたシステムの電力出力に対して正規化した場合、以下の結果が得られる。

これらの表は効率的に光を抽出するために、光学先細要素がＬＥＤ放射面の全領域にわたって光学的に結合されなくてもよいということを示す。また表は小さい先細要素間の外部体積が、抽出効率に大きな低下を生じることなく低屈折率を有し得るということを示す。

外部体積を材料で充填して抽出効率を上昇させることができる。充填材料は流体、有機または無機ポリマー、無機粒子充填ポリマー、塩、またはガラスであり得る。適当な無機粒子にはジルコニア、チタニア、および硫化亜鉛がある。適当な有機流体はＬＥＤ動作温度でおよびＬＥＤにより生成された光に対して安定している任意のものを含む。ある場合には流体は低導電率およびイオン濃度も有さなければならない。適当な流体には水、ハロゲン化炭化水素、ならびに芳香族および複素環式炭化水素がある。充填材料は光学先細要素をＬＥＤダイに接着するように機能することもできる。

光学要素間の空間の少なくとも一部分は、ＬＥＤダイへは配電するか、またはＬＥＤダイから熱を奪うか、もしくはその両方を行うように適用された金属を有することができる。金属は測定できる光吸収を有するため、吸収損失を最小限に抑えることが望ましい場合がある。これはダイとの金属のコンタクト領域を最小限に抑えるとともに、金属と、ダイ表面、光学要素、またはその両方との間に低屈折率材料を導入することによって金属へ光結合を低減することにより行うことができる。例えばコンタクト領域を、上部金属層と電気導通している、低屈折率材料により取り囲まれた金属コンタクトのアレイでパターン化することができる。例えば上記に参照した‘６６７号シューベルト（Ｓｃｈｕｂｅｒｔ）公報を参照されたい。適当な低屈折率材料には気体または真空、ミネソタ州セントポール（Ｓｔ．Ｐａｕｌ，Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ）のスリーエム・カンパニー（３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ）から入手可能なフロリナート（ｆｌｕｏｒｉｎｅｒｔ）などのフッ化炭素類、水、および炭化水素がある。金属は熱を除去可能な光学要素を取り囲む媒体内に延びることができる。

流体を先細要素間に設けてさらに熱を除去することもできる。光学先細要素のアレイは正方形アレイ（例えば２×２、３×３等）、長方形アレイ（例えば２×３、２×４等）、または六角形アレイであり得る。個々の光学先細要素はそれらの入力または出力面における断面が正方形、長方形、三角形、円形、または他の所望の形状であり得る。アレイはＬＥＤの放射面全体の真上に、もしくはその一部分を越えて、または真上のみに延び得る。低軟化温度はんだガラス、硫化亜鉛などの軟質無機コーティング、高屈折率流体、ポリマー、セラミック充填ポリマーで、または光学要素およびＬＥＤに非常に平滑且つ平坦な表面を設けるとともにダイを光学要素の入力面に対して機械的に保持することにより、先細要素をＬＥＤ放射面に取り付けることができる。

多数の光学要素９２、９４とパターン化低屈折率層９６とを有する他のＬＥＤパッケージ９０が図９に示されている。パターン化低屈折率層９６は図示のような２つのアパーチャを含み、その上方に光学要素９２、９４がＬＥＤダイ放射面１２ａと光学的に接して配置されている。また層９６はＬＥＤダイ放射面１２ａおよびＬＥＤダイ側面１２ｃと光学的に接している。ＬＥＤパッケージ９０は低屈折率層９６の一部分の上に図示の金属コンタクト９８をさらに含む。図９には図示されていないがパターン化層９６は金属コンタクト９８付近でもパターン化されているとともに、金属コンタクト９８が層９６内の孔内に延びてＬＥＤダイ１２への電気コンタクトを提供するため望ましい。チップ設計に応じて第２の電気コンタクトをＬＥＤダイ上の他の箇所に設けることができる。

選択用語集
「輝度」：単位面積当たりおよび単位立体角（ステラジアン）当たりのエミッタまたはその一部分の発光出力。
「発光ダイオード」または「ＬＥＤ」：可視光、紫外線、または赤外線のいずれであろうと光を放射するダイオード。本明細書で用いられるような用語は、従来形態であろうとスーパーラジアント形態であろうと、インコヒーレント（および通常安価な）「ＬＥＤ」として販売されているエポキシ封入半導体デバイスを含む。
「ＬＥＤダイ」：半導体ウエハ処理手順により作製されたその最も基本的形状、すなわち個々の構成部品またはチップの形状のＬＥＤ。構成部品またはチップはデバイスに通電するための電力の印加に適した電気コンタクトを含み得る。構成部品またはチップの個々の層および他の機能的要素は通例ウエハ規模で形成されており、完成したウエハは最終的に個々の片部にダイスカットされて多数のＬＥＤダイを生じる。

当業者には本発明の要旨と範囲とから逸脱することなく、本発明のさまざまな変更例および代替例が明らかであろう。本発明が本明細書に記載された例示的実施形態に限定されないことは理解されよう。

輝度強化層を有するＬＥＤパッケージの概略的断面図である。 輝度強化層と先細光学要素とを有するさらなるＬＥＤパッケージの概略的断面図である。 ＬＥＤダイの前面放射面上の先細要素の設置面積の大きさの関数としてＬＥＤダイのモデル化輝度および発光出力を示すグラフである。 複合先細要素を用いたＬＥＤパッケージを示す概略断面図であり、図８はＬＥＤダイに結合された多数の先細要素をさらに示す。 輝度強化層と多数の光学要素とを有する他のＬＥＤパッケージの概略的断面図である。

Claims (16)

1. 放射面を有するＬＥＤダイと、
   各々入力面を有する複数の光学要素とを備える光源であって、
   前記光学要素は、前記入力面が互いに離間されるとともに前記放射面の異なる部分と光学的に接するような大きさにされている光源。
2. 前記光学要素がそれらの入力面に入射する光を平行にする、請求項１に記載の光源。
3. 前記光学要素が材料の単一片内の１つまたは複数の溝により画定される、請求項１に記載の光源。
4. 前記光学要素がそれらのそれぞれの入力面において前記放射面に結合される、請求項１に記載の光源。
5. 各光学要素が出力面も有する、請求項１に記載の光源。
6. 少なくとも１つの光学要素に関して前記入力面が前記出力面より小さい、請求項５に記載の光源。
7. 各光学要素が、前記それぞれの入力面と出力面との間に少なくとも１つの反射側面を含む、請求項５に記載の光源。
8. 少なくとも１つの光学要素の前記出力面が湾曲している、請求項５に記載の光源。
9. 前記光学要素が少なくとも１．８の屈折率を有する材料を備える、請求項１に記載の光源。
10. 前記光学要素が少なくとも０．２Ｗ／ｃｍ／Ｋの熱伝導率を有する材料を備える、請求項１に記載の光源。
11. 前記光学要素がサファイア、ダイヤモンド、および炭化シリコンの群から選択された材料を備える、請求項１に記載の光源。
12. 前記光学要素がそれらの間に間隙を画定する、請求項１に記載の光源。
13. 前記ＬＥＤダイのための少なくとも１つの電気接続が前記間隙のうちの少なくとも１つを通過する、請求項１２に記載の光源。
14. 前記間隙内に配置された流体をさらに備える、請求項１２に記載の光源。
15. 前記複数の光学要素が２×２アレイの光学要素を備える、請求項１に記載の光源。
16. 前記複数の光学要素が３×３アレイの光学要素を備える、請求項１に記載の光源。

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